турбогенератор с водородным охлаждением

Формула изобретения

Турбогенератор с водородным охлаждением, содержащий вентилятор, расположенный внутри корпуса генератора, напорная зона которого соединена трубопроводом подачи водорода с осушителем, осушитель водорода, состоящий из нескольких адсорберов, имеющих трубную и арматурную обвязку, и трубопровод подачи осушенного водорода в корпус турбогенератора, отличающийся тем, что дополнительно введены блок очистки водорода от масла, расположенный на трубопроводе подачи водорода, водородный компрессор высокого давления, расположенный на трубопроводе подачи водорода между корпусом генератора и осушителем водорода, трубопровод подачи станционного водорода на водородный компрессор от станционного ресивера водорода, процессорный блок автоматического управления процессом осушки, по два управляемых клапана на каждый адсорбер, расположенных на трубной обвязке адсорберов со стороны подвода к ним осушаемого водорода, и не менее чем по одному управляемому клапану на каждый адсорбер, расположенному на трубопроводе отвода осушенного водорода, линия подачи водорода с регулятором давления на водородный компрессор, регуляторы давления на трубной обвязке адсорберов со стороны отвода от них осушенного водорода, накопитель осушенного водорода, регулятор давления осушенного водорода, расположенный между накопителем осушенного водорода и корпусом генератора, при этом управляемые клапаны и регуляторы давления электрически соединены с процессорным блоком управления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроэнергетике и электромашиностроению, в частности, к генераторам с водородным охлаждением, и предназначено для улучшения эксплуатационных характеристик турбогенераторов, повышения их КПД и безопасности на электростанциях.

Известна электрическая машина, например, турбогенератор, снабженная установкой для осушки водорода, состоящей из теплообменного аппарата и холодильного агрегата. Осушку водорода производят охлаждением в теплообменном аппарате, сопровождающимся конденсацией влаги из газа, при этом циркулирующую в аппарате воду охлаждают в холодильном агрегате, газ после отделения влаги нагревают и возвращают в турбогенератор (см. Авторское свидетельство СССР N 1170557, МКИ H 02 K 9/26, 1982).

Недостатками известной электрической машины являются энергоемкость, необходимость использования хладоагента (фреона), низкая эффективность по удалению масла из водорода, относительно высокие эксплуатационные расходы, связанные с обслуживанием холодильного агрегата, входящего в установку осушки.

Известна электрическая машина, например, турбогенератор, содержащая установку для осушки водорода, состоящую из вентилятора с всасывающей и нагнетательной зонами и рекуперативного испарителя с патрубками входа и выхода водорода и патрубками входа и выхода испаряемой среды, при этом нагнетательная зона соединена с патрубком входа водорода, а патрубок выхода водорода соединен с всасывающей зоной с образованием замкнутого циркуляционного контура. Испаряемая среда (фреон) поступает от компрессора холодильной машины сверху вниз в трубки рекуперативного испарителя, межтрубное пространство которого соединено с всасывающей и нагнетательной зонами вентилятора генератора так, что водород циркулирует в испарителе снизу вверх, а сконденсированная влага отводится через штуцер внизу испарителя. (Азбукин Ю.И. "Повышение эффективности эксплуатации турбогенераторов", М., "Атомэнергоиздат", 1983, с. 20,21, рис. 13,22, табл.4).

Недостатками известного турбогенератора являются энергоемкость, необходимость использования фреона, высокие эксплуатационные расходы по обслуживанию холодильной машины, низкая эффективность по удалению масла из водорода.

Известен также электрический генератор с приводом в виде паровой турбины с конденсатором, содержащий установку по осушке водорода, состоящую из вентилятора с всасывающей и нагнетательной зонами и рекуперативного испарителя с патрубками входа и выхода водорода и патрубками входа и выхода испаряемой среды, снабженного оросительным устройством для испаряемой среды, которой служит конденсат из конденсатора турбины, и вихревым противоточным эжектором, активное сопло которого соединено с отбором пара из паровой турбины, пассивное сопло выполнено в виде патрубка для выхода испаряемой среды из испарителя, а смешивающее сопло соединено с паровым объемом конденсатора. При этом нагнетательная зона вентилятора соединена с патрубком входа водорода, а патрубок выхода последнего - с всасывающей зоной с образованием замкнутого циркуляционного контура. Теплообменная поверхность испарителя снабжена фитилями из капиллярно-пористого материала (см. Патент РФ N 2071162, МКИ H 02 K 9/26, 1993).

Недостатками известного электрического генератора являются необходимость соединения парового контура турбины с газовым контуром генератора, зависимость эффективности процесса осушки от изменений теплотехнических параметров водорода и пара, невозможность влиять на содержание масла в водороде.

Ближайшим техническим решением является турбогенератор, содержащий вентилятор, расположенный внутри корпуса генератора и обеспечивающий циркуляцию охлаждающего водорода, осушитель водорода, включающий адсорбер с трубной и арматурной обвязкой, газодувку, электрический нагреватель и трубопровод подачи осушенного водорода в корпус турбогенератора. Осушку водорода осуществляют в адсорбере, заполненном адсорбентом, например, силикагелем. Регенерацию последнего производят продувкой горячего воздуха с температурой 573 - 673 K, а нагрев воздуха осуществляют продуванием его газодувкой через специальный электрический нагреватель (см. Иванов В. С., Серебрянский Ф.З. "Газомасляное хозяйство генераторов с водородным охлаждлением", М.-Л., "Энергия", 1965, с. 67-71).

Недостатками известного турбогенератора являются относительно большие затраты электроэнергии на нагрев воздуха для регенерации адсорбента, сохранение высокого уровня влажности водорода в корпусе генератора (до +15^oC по температуре точки росы, т.т.р.), не исключающегося риска пробоя электрозащиты, короткий срок службы силикагеля из-за быстрого ухудшения его адсорбционной способности, вызванного накопления в нем масла, содержащегося в осушаемом водороде, и последующим пиролизом масла при нагревной регенерации.

Техническим результатом предложенного технического решения является повышение безопасности работы на электростанциях за счет снижения содержания масла в водороде, повышение КПД турбогенератора и уменьшение риска пробоя электрозащиты как следствие снижения влажности водорода, снижение затрат электроэнергии за счет отказа от регенеративного нагрева адсорбента, возможность получения дополнительной мощности на генераторе за счет возможности подъема давления водорода в корпусе генератора.

Технический результат достигается тем, что в турбогенераторе с водородным охлаждением, содержащем вентилятор, расположенный внутри корпуса генератора, напорная зона которого соединена трубопроводом подачи водорода с осушителем, осушитель водорода, состоящий из нескольких адсорберов, имеющих трубную и арматурную обвязку, и трубопровод подачи осушенного водорода в корпус турбогенератора, дополнительно введены блок очистки водорода от масла, расположенный на трубопроводе водорода, водородный компрессор высокого давления, расположенный на трубопроводе между корпусом генератора и осушителем водорода, трубопровод подачи водорода на водородный компрессор из трубопровода водорода, идущего от станционного ресивера водорода, процессорный блок автоматического управления процессом осушки, по два управляемых клапана на каждый адсорбер, расположенных на подводящем трубопроводе осушаемого водорода, и не менее чем по одному управляемому клапану на каждый адсорбер, расположенному на трубопроводе отвода осушенного водорода, регулятор давления, стоящий на линии подачи водорода на водородный компрессор, регуляторы давления, стоящие на трубной обвязке адсорберов со стороны отвода осушенного водорода, накопитель осушенного водорода, регулятор давления осушенного водорода, расположенный между накопителем осушенного водорода и корпусом генератора, при этом управляемые клапаны и регуляторы давления электрически соединены с процессорным блоком управления.

На фиг.1 изображена схема турбогенератора с водородным охлаждением, а на фиг.2 пример выполнения блока осушки с тремя адсорберами.

Устройство содержит (см. фиг.1) электрический генератор 1 с водородным охлаждением с приводом в виде турбины, вентилятор 2, расположенный в корпусе генератора, напорная зона которого соединена через трубопровод 3 подачи водорода и запорную арматуру 4 с блоком 5 очистки водорода от масла, трубопровод подачи очищенного от масла водорода 6 на водородный коллектор 7, из которого трубопровод (всасывающая линия) 8 подает водород через регулятор давления 9 на газовый (водородный) компрессор 10, трубопровод 11 подачи водорода из компрессора 10 на сепаратор 12, трубопровод освобожденного от капельной влаги водорода 13, соединенный с блоком осушки 14 (осушителем). Блок осушки 14 включает адсорберы 15 и 16 (количество которых выбирают исходя из заданных условий на электростанции, не менее двух), трубную и арматурную обвязку входа осушаемого водорода, включающую соединительный трубопровод подачи водорода на осушку 17 в адсорберы с перемычкой 18, управляемые клапаны 19, 20 на трубопроводе подачи водорода на осушку 17, управляемые клапаны 21, 22 на перемычке 18, трубную и арматурную обвязку выхода осушенного водорода, включающую трубопровод отвода осушенного водорода 23 из адсорберов, перемычку 24, используемую для подвода водорода при регенеративной продувке адсорбента, управляемые клапаны 25 и 26, расположенные на трубопроводе отвода осушенного водорода 23, и регулятор давления осушенного водорода для регенерации 27, расположенный на перемычке 24. Из трубопровода осушенного водорода 23 трубопроводом водорода 28 осушенный водород подается в накопитель осушенного водорода 29. Накопитель осушенного водорода 29 соединен трубопроводом подачи осушенного водорода 30 с корпусом генератора 1 через управляемый регулятор давления осушенного водорода 31. Водородный коллектор 7 соединен трубопроводом подачи станционного водорода 32, снабженным арматурой, ротаметром и регулятором давления станционного водорода 33 с магистральным трубопроводом водорода 34, идущим от станционного ресивера водорода 35. Трубопровод водорода 32 связан трубопроводом 36 с корпусом генератора 1 через запорную арматуру 37 и регулирующую арматуру 38. Перемычка 18 соединена с трубопроводом подачи водорода после регенеративной продувки 39 на всасывающую линию 8 водородного компрессора 10. Блок очистки 5 снабжен линией отвода масла 40 в дренаж, сепаратор 12 снабжен линией отвода влаги 41 в дренаж. Устройство содержит процессорный блок управления 42, соединенный электрическими связями с управляемыми клапанами 19, 20, 21, 22, 25, 26 и регуляторами давления 9, 27, 31. Блок осушки 14 (см. фиг.2) может быть выполнен с тремя и более адсорберами, кроме адсорберов 15 и 16 дополнительно введены адсорбер 43, управляемые клапаны 44, 45, 46, регуляторы давления 47, 48, расположенные на перемычке 24, так что введенные управляемые клапаны и регуляторы давления имеют электрические связи с блоком управления 42.

Устройство работает следующим образом.

Водород из корпуса электрического генератора 1 с помощью вентилятора 2 подают по трубопроводу 3 на блок очистки водорода от масла 5. Очищенный от масла водород по трубопроводу 6 подают в коллектор 7, из которого по трубопроводу 8 через регулятор давления 9 он поступает в водородный компрессор 10. Сжатый водород из компрессора 10 по трубопроводу подачи водорода 11 подают в сепаратор 12, где происходит отделение капельной влаги. Далее водород по трубопроводу освобожденного от капельной влаги водорода 13 поступает на блок осушки 14 (осушитель). Работа блока осушки происходит циклически по командам, поступающим из процессорного блока управления 42. На первом такте цикла, когда адсорбер 15 работает на осушку, а адсорбер 16 работает на регенерацию, водород из трубопровода освобожденного от капельной влаги водорода 13 при открытых управляемых клапанах 19, 22 и 25 и закрытых управляемых клапанах 20, 21 и 26 поступает в адсорбер 15, где осушается при прохождении через адсорбент. Осушенный водород через трубопровод 23 по трубопроводу 28 поступает в накопитель осушенного водорода 29, выполненный в виде ресивера или коллектора, при этом часть осушенного водорода из адсорбера 15 по трубопроводу отвода осушенного водорода 23 и перемычке 24 через регулятор давления осушенного водорода для регенерации 27 подают в адсорбер 16 для регенерации адсорбента. Использованный для регенерации водород из адсорбера 16 по трубопроводу подачи водорода на осушку 17 через перемычку 18, управляемый клапан 22 и трубопровод подачи водорода после регенеративной продувки 39 подают на трубопровод (всасывающую линию) 8 водородного компрессора 10. В следующем такте цикла работы блока осушки адсорбер 16 работает на осушку водорода, а адсорбер 15 работает на регенерацию адсорбента. Для этого блок управления 42 закрывает управляемые клапаны 19, 22, 25 и открывает управляемые клапаны 20, 21, 26, после чего водород из трубопровода освобожденного от капельной влаги водорода 13 поступает в адсорбер 16, где, проходя через адсорбент, осушается и по трубопроводу отвода осушенного водорода 23 через управляемый клапан 25 поступает в накопитель осушенного водорода 29. При этом часть осушенного водорода из адсорбера 16 по трубопроводу отвода осушенного водорода 23 и перемычке 24 через регулятор давления осушенного водорода для регенерации 27 поступает в адсорбер 15 для регенерации адсорбента, после чего через открытый управляемый клапан 21 по линии 17-18-39 поступает на вход водородного компрессора 10. После этих двух тактов работа блока осушки повторяется.

Из накопителя осушенного водорода 29 осушенный водород подают через вентиль и регулятор давления осушенного водорода 31 по трубопроводу подачи осушенного водорода 30 в корпус генератора 1.

Первоначальное заполнение водородом и подпитка блока осушки по мере необходимости осуществляют из коллектора 7, соединенного через трубопровод подачи станционного водорода 32 с расположенными на нем ротаметром, вентилем и регулятором давления станционного водорода 33 с магистральным трубопроводом водорода 34, идущим от станционного ресивера водорода 35.

Работу устройства проиллюстрируем на примере генератора марки ТВВ-200-2 с приводом в виде паровой турбины. Водородный компрессор представляет собой водокольцевой (жидкостно-кольцевой) компрессор марки 2ВК, обеспечивающий подачу водорода с давлением 5 ати. Оптимальное давление водорода в корпусе генератора равно 2,5 ати, эксплуатационное давление вследствие высокой влажности водорода в корпусе генератора, составляющей +15^oC по т.т.р., поддерживается на уровне 2,3 ати, а температура циркулирующей воды в газоохладителях составляет +8^oC. Блок осушки состоит из трех адсорберов (см. фиг.2) 15, 16, 43, полностью заполненных силикагелем марки ШСК. Каждый адсорбер выполнен в виде цилиндра высотой 150 см и диаметром 30 см. Блок очистки водорода от масла представляет собой устройство, оснащенное фильтром Петрянова, и расположен, например, на трубопроводе подачи водорода между водокольцевым компрессором и блоком осушки водорода. Накопитель осушенного водорода реализован в виде ресивера с соответствующей арматурной обвязкой. Процессорный блок управления реализован в виде контроллера с микропроцессором, содержащим заданную программу управления процессом осушки. Работа устройства протекает циклически, при этом цикл состоит из трех тактов: на первом такте цикла осушка водорода осуществляется адсорберами 15 и 16, а в адсорбере 43 происходит регенерация адсорбента за счет обратной продувки осушенным газом. На втором такте цикла открытые управляемые клапаны 20, 44, 21 и регуляторы давления 27, 48 обеспечивают прохождение водорода на осушку через адсорберы 16 и 43 и регенеративную продувку адсорбера 15 частью осушенного газа. На третьем такте цикла процессорный блок управления 42 через открытые управляемые клапаны 19, 44 и 22 и регуляторы давления 27 и 47 обеспечивает прохождение водорода на осушку через адсорберы 43 и 15, так что часть осушенного в них газа идет в адсорбер 16 для регенерации адсорбента. В рассматриваемом примере на трубной обвязке адсорберов со стороны отвода осушенного газа установлены три регулятора давления: 27, 47, 48.

Через несколько часов работы генератора ТВВ-200-2 влажность водорода снижается до -7^oC т.т.р., а блок очистки водорода от масла удерживает 20 - 25 г масла. Благодаря снижению влажности водорода эксплуатационное давление водорода в корпусе генератора повышают до оптимального, что дает относительный прирост мощности генератора на несколько процентов.

Устройство позволяет обеспечить работу турбогенератора в режиме пониженной регулируемой влажности водорода (с температурой точки росы охлаждающего газа, заданной в диапазоне -40 - 0^oC) при поддержании низкого уровня содержания масла в водороде, что повышает безопасность эксплуатации генератора за счет снижения риска детонации гремучей смеси, которая может образоваться при разгерметизации контура генератора, дает относительный прирост мощности генератора до 20%, что повышает КПД генератора, уменьшает риск пробоя электрозащиты турбогенератора за счет отсутствия капельной влаги и снижения коррозии, снижает расход электроэнергии за счет отказа от регенеративного подогрева адсорбента.